מדידת הספק מתקדמת במרכזי נתונים

טכניקות של תקשורת דיגיטלית וספקי-כוח חכמים משפרים את ניהול המערכת.
העלות העולה של אנרגיה מניעה את מרכזי הנתונים ועסקי מחשוב קשורים אחרים לקראת מציאה של אסטרטגיות חכמות עבור ניהול ההספק בכל הרמות. מימוש אסטרטגיות כאלה דורש איסוף מדויק של נתונים על ההספק הנצרך עד לרמת ספק-הכוח. כיום, טכניקות של תקשורת דיגיטלית וספקי-כוח חכמים מקלים על ביצוע המשימה. אתגרים מעשיים עדיין קיימים במימוש מדידת הספק מדויקת, מאחר שמלבד יוצאים מן הכלל מועטים, ספקי-כוח אינם ציוד מדידה.
כיום, ניטור הספק ac ממומש במערכות מתקדמות אחדות, בעיקר על-ידי שימוש במנטרים ומדי הספק ac מיוחדים. אולם, ברוב המקרים, רק הספק הכונן הכולל נמדד. מאחר שרוב מערכות אלו דורשות שלב של תיקון גורם ההספק (power factor correction-) – בו יש למדוד את הזרם והמתח במבוא על-ידי לולאת הבקרה, הגיוני לשקול הוספת מדידת ההספק בתוך בקר ה-PFC.
לדוגמה, ה-ADP1047/ADP1048 הם בקרי PFC בעלי יכולות מדידת הספק המבוא מדויקות מובנות. הם מספקים מדידה מדויקת, דוגמת מתח המבוא והמוצא, זרם המבוא וההספק. ניתן להעביר את המידע אל המיקרו-בקר של ספק-הכוח דרך ממשק ה-PMBus. על-ידי שימוש באלגוריתם כיול נכון, ניתן למזער שגיאות אלו. שני ממירים אנלוגיים לדיגיטליים (ADCs) סיגמה-דלתא (Ʃ-Δ) מסדר ראשון משמשים לחישה של מתח המבוא וזרם המבוא. תדר הדגימה של ה-ADCs הוא 1.6 מגה-הרץ. ערכי rms אמיתיים מחושבים בסוף כל חצי מחזור של קו ה-ac על-ידי אינטגרציה של ריבוע הערכים הרגעיים.

כינון ומדידת המעגל
איור 1 מראה את ממשק מד-ההספק ac. נקודת המדידה של זרם המבוא היא אותה הנקודה כמו זו ששימשה עבור בקרת זרם הלולאה של ה-PFC. אם משתמשים בנגד חישה של זרם, הוא מודד את הזרם החוזר העובר דרך ה-RSENSE אחרי מיישר הגשר הראשי. מתח המבוא מיושר דרך מיישר גשר משני, מחולק במחלק המתח R1 , ומוזן לאחר מכן אל ה-ADP1047/ADP1048. היתרון של השימוש במיישר הגשר המשני הוא בכך שהוא יכול למדוד את מתח המבוא במדויק אף במהלך תנאי תחילה רכה.
גישה זו מודדת V ו-I בתוך שלב ה-PFC. במקרה זה, המדידה היא פחות מאתגרת לביצוע ואינה דורשת בידוד; אולם, היא חשופה לשגיאות הנגרמות על-ידי גשר המבוא ומסנן ה-EMI. שגיאות אלו עלולות להיות משמעותיות במיוחד בעומס קל, כאשר ניתן להשוות את הזרם במסנן ה-EMI עם זרמי העומס. על-ידי שימוש באלגוריתם כיול נכון, ניתן למזער שגיאות אלו.

מדידה
מדידת מתח המבוא
מתח המבוא מוחש דרך מחלק המתח R1 ו-R2, והמתח המחולק מוזן לתוך ה-VAC של ה-ADC. ה-ADP1047 יכול לחשב פנימית את ערך מתח המבוא בהתאם לקריאת ה-VAC ADC והערך המוכנס לתוך אוגר ה-0xFE3B, שזהו ערך נגד מחלק מתח המבוא. מתח המבוא מועבר בצורה ליניארית עם ערך דו-בייטי . Y הוא שלם משלים לשניים בעל -11ביט ו-N הוא שלם משלים לשניים בעל -5ביט. לכן, הערך בעולם הממשי הוא X=Y x 2N. יש להעביר את המעריך של ה-READ_VIN לתוך האוגר .

מדידת זרם המבוא
האות המוחש של זרם המבוא מוזן לתוך הפינים CS+ ו-CS-. ה-ADP 1047/ADP1048 מחשבים פנימית את ערך זרם המבוא על-פי קריאת ה-CS ADC ואת יחס כיוון זרם המבוא, IIN_GSENSE, הנרשם באוגר ה-0xFE3C. המעריך של IIN_GSENSE הוא של אוגר ה-0xFE3C, והמנטיסה היא של האוגר 0xFE3C. ישנם תשעה ערכי מעריך הזמינים לתכנות.
זרם המבוא מדווח בפורמט ליניארי דרך הוראת ה-PMBus. המעריך, של האוגר 0xFE39 חייב להיות מתוכנת בהתאם למפרט זרם המבוא המרבי. כדי לדווח IIN נכון, יש למלא אחר התנאי הבא:
IIN_MAX<211x2N
ולכן
N>log2IIN_MAX/211
מדידת הספק המבוא
הספק המבוא מדווח עם הוראת ה-PMBus בפורמט ליניארי. ישנם שמונה ערכי מעריך זמינים לקביעה. את המעריך של האוגר OxFE39 יש לתכנת בהתאם למפרט הספק המבוא המרבי. כדי לדווח על ה-PIN נכון, יש למלא אחר התנאי הבא:
PIN<211x2N
לכן,
N>log2PIN/211
לדוגמה, אם ה-PIN המרבי הוא 600 ואט, המעריך N צריך להיות גדול מ-2. כדי להשיג את הרזולוציה הטובה ביותר, המעריך N צריך להיות -1.
חלון המיצוע ניתן לתכנות מאפס מחזורי קו מלא עד 4096 מחזורי קו מלא תוך שימוש ב- של האוגר 0xFE3A. בסוף כל מחזור מיצוע, הערך החדש של ההספק הממוצע נכתב אל האוגר READ_PIN (אוגר 0x97) וניתן לקרוא אותו בחזרה דרך הממשק עד שהוא נכתב חופף על-ידי הערך הממוצע הבא בסוף מחזור המיצוע הבא (ראה טבלה 1).

עיטור (trimming)
עיטור דיגיטלי של מתח המבוא
אוגר העיטור VAC ADC בהיסט מעטר את שגיאת ההיסט של מתח המבוא, ואת ה-ADC VAC.

עיטור דיגיטלי CS ADC
אוגר עיטור ההיסט CS ADC מעטר את שגיאת ההיסט של זרם מבוא ה-PFC, ואוגר עיטור שבח ה-ADC CS מעטר את שגיאת השבח של זרם המבוא של ה-PFC. משום שלתחום המבוא של ה-ADC CS יש אופציות של 500 מילי-וולט ו-75 מילי-וולט, אוגרי העיטור זמינים בהתאמה עבור כל בחירה של תחום.

עיטור דיגיטלי של מדידת ההספק
עיטור היסט מדידת ההספק עבור אוגר המבוא בקו הנמוך מתוכנן כדי לתקן את שגיאת ההיסט אל מדידת הספק המבוא תחת מבוא הקו הנמוך. עיטור השבח של מדידת ההספק עבור אוגר מבוא הקו הנמוך מתוכנן כדי לתקן את שגיאת השבח של מדידת הספק המבוא תחת המבוא של הקו הנמוך.
עיטור ההיסט של מדידת ההספק עבור אוגר המבוא של הקו הגבוה מתוכנן כדי לתקן את שגיאת ההיסט אל מדידת הספק המבוא תחת המבוא של הקו הגבוה. עיטור השבח של מדידת ההספק עבור אוגר המבוא של הקו הגבוה מתוכן כדי לתקן את שגיאת השבח של מדידת הספק המבוא תחת המבוא של הקו הגבוה. ארבעה אוגרים אלה מתוכננים עבור הלקוחות כדי לקזז את הפסד ההספק של מסנן ה-EMI ומיישר הגשר.

הגדרת אוגר המעטר הדיגיטלי של מדידת ההספק
להלן רשימה של הגדרות האוגר עבור עיטור היסט מדידת ההספק עבור אוגר המבוא של הקו הנמוך, עיטור שבח מדידת ההספק עבור אוגר המבוא בקו נמוך, עיטור ההיסט במדיד בספק עבור אוגר המבוא בקו גבוה ועיטור השבח של מדידת ההספק עבור אוגר המבוא בקו הגבוה.
עבור מבוא בקו גבוה,
כאשר מעטר היסט מדידת ההספק עבור אוגר המבוא בקו נמוך, , תחום ההיסט הוא 0; כאשר עיטור היסט מדידת ההספק עבור אוגר מבוא בקו נמוך, Bits[7:0]=0x7F, ההיסט הוא +6.2% מההספק המלא; וכאשר עיטור היסט מדידת ההספק עבור אוגר מבוא בקו נמוך, ההיסט הוא -6.2% מההספק המלא.

כאשר עיטור שבח מדידת ההספק עבור אוגר המבוא בקו נמוך, Bits[7:0]=0x0, שגיאת השבח היא אפס; כאשר עיטור שבח מדידת ההספק עבור אוגר מבוא בקו נמוך, Bits[7:0]=0xFF שגיאת השבח היא -6.2%; וכאשר עיטור שבח מדידת ההספק עבור אוגר המבוא בקו נמוך, Bits[7:0]=0x7F, שגיאת השבח היא +6.2%.

בשביל המבוא בקו גבוה,

כאשר היסט מדידת ההספק מעוטר עבור אוגר מבוא הקו הגבוה, Bits[7:0]=0x0, תחום ההיסט הוא 0; כאשר היסט מדידת ההספק מעוטר עבור אוגר מבוא בקו הגבוה, Bits[7:0]=0x7F, ההיסט הוא +6.2% מההספק המלא, וכאשר היסט מדידת ההספק מעוטר עבור אוגר מבוא הקו הגבוה, Bits[7:0]=0xFF, ההיסט הוא -6.2% מההספק המלא.

כאשר שבח מדידת ההספק מעוטר עבור אוגר המבוא בקו הגבוה, Bits[7:0]=0x0, שגיאת השבח היא אפס; כאשר שבח מדידת ההספק מעוטר עבור אוגר מבוא הקו הגבוה, Bits[7:0]=0xFF, שגיאת השבח היא -6.2%; וכאשר שבח מדידת ההספק מעוטר עבור אוגר בקו הגבוה, Bits[7:0]=0x7F, שגיאת השבח היא +6.2%.
תוצאת הניסוי
בוצעו מדידות על כרטיס הדגמה הממומש תוך שימוש ב-ADP1047. איור 2 מראה את ההספק הנמדד וההספק הממשי. כרטיס ההדגמה מיועד לפעול ב-100 קילו-הרץ ב-CCM, ומתח המוצא מווסת ל-385 וולט. איור 3 מראה את שגיאת ההספק הנמדד בהשוואה למד ההספק המסחרי בתחום מבוא רחב עם מקור מבוא אידיאלי. הבדיקה נעשית בטמפרטורת החדר ב-.
איור 4 עד איור 7 מראים את תוצאות הניסוי עבור מתחי קו ac סינוסים ב-25OC. בנוסף, הם מראים את היתרונות של מדידות הספק rms ממשי כך שניתן לשמור על הדיוק אף במתחי קו ac לא אידיאליים. שים לב שמתח המבוא המיושר עבור מקור מבוא ה-ac המוצג באיור 6 דומה בערך למתח המבוא dc.